表面组装技术SMT工艺研究.docx

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表面组装技术SMT工艺研究

1概论……………………………………………………………………………………………1

1.1绪论……………………………………………………………………………………………1

1.2SMT的基本概念及发展前景………………………………………………………………2

1.2.1SMT的基本概念……………………………………………………………………………2

1.2.2SMT的发展及其前景………………………………………………………………………3

1.2.3SMT及SMT生产系统的基本组成………………………………………………………4

1.2.4SMT的优缺点………………………………………………………………………………5

2SMT的组装技术的原理特点和工艺流程……………………………………………………8

2.1SMT的焊接形成机理………………………………………………………………………8

2.2SMT焊点的基本要求………………………………………………………………………9

2.3SMT的组装工艺流程……………………………………………………………………11

2.4几种SMT的组装工艺流程………………………………………………………………11

3设置温度曲线…………………………………………………………………………………13

3.1什么是温度曲线……………………………………………………………………………13

3.2设置温度曲线的必要性……………………………………………………………………13

3.3回流温度曲线的构成及各阶段反应基理…………………………………………………13

3.4炉温的设置步骤……………………………………………………………………………15

4焊点质量的检测………………………………………………………………………………16

4.1焊点质量……………………………………………………………………………………16

4.2焊点一般缺陷及其产生的原因与分析……………………………………………………16

5SMT实验………………………………………………………………………………………17

5.1实验目的……………………………………………………………………………………17

5.2实验设备及材料……………………………………………………………………………17

5.3实验的速度和温度设定……………………………………………………………………18

5.4实验炉温的设置……………………………………………………………………………18

6实验数据及分析………………………………………………………………………19

6.1实验数据分析………………………………………………………………………………19

6.2实验质量分析………………………………………………………………………………23

7结论……………………………………………………………………………………………26

7.1实验中发现的问题…………………………………………………………………………26

7.2改善焊接质量的方法………………………………………………………………………26

8致谢……………………………………………………………………………………………28

1概论

1.1绪论

表面组装技术（SMT）是电子先进制造技术的重要组成部分，SMT的迅速发展和普及，变革了传统电子电路组装的概念，为电子产品的微型化，轻量化创造了基础条件，对于推动当代信息产业的发展起到了独特的作用，成为制造现代电子产品的必不可少的技术之一。

目前，SMT已广泛应用于各行各业的电子产品组件和器件的组装中。

而且，随着半导体元器件技术和材料电子信息技术的等的飞速进步，SMT的应用面还在不断扩大，其技术也在不断完善和深化发展中。

表面安装技术（SMT）的开发在某种程度上是为了克服插装技术的局限性。

把表面安装元件直接焊到电路板的表面上。

虽然乍看起来这里没有明显差别,但这种变化具有许多优点,如尺寸小,重量轻,电性能好,成本低等。

表面安装技术（SMT）已打入电子市场。

当今的消费类电子产品和自动化类产品几乎全部都采用SMT,它在工业中的应用已迎头赶上来。

甚至连通常十分保守的高可靠产品市场也迅速转向了SMT。

PC机的发展趋势可能是最好的例子了。

15年前,插装技术主宰着PC机制造业,只有几家大公司着手探索这项新技术。

但近十几年来发生了巨大的变化,为了降低成本,提高性能,许多制造商迅速地转向了。

从原理上说,表面安装技术并不是新东西。

就是在印刷电路概念兴起之初，人们就用过许多方法把电子元件安装到电路板的表面上早期的一些产品是适用于分立半导体器件的插装型封装。

由于表面安装技术能减小几何尺寸，改善电路性能，所以多年来一直是陶瓷混合电路生产的一种主要组装方法。

该技术也已普遍用于高频电路，在这种情况下，较低的寄生电抗使表面安装技术比插装技术具有明显的优势。

但是，这些早期的方法仅限用于专用电路，加工技术还缺乏标准化，而且仅限于手工组装。

因此，其成本始终不能与插装印制线路技术相竞争。

虽然SMT技术是在这样的历史背景下发展起来的，但它并不单纯地是“旧技术的新应用”。

在电子工业界，“表面安装技术”已成为众所周知的一个术语，它是指把电子元件以自动化的形式安装在印刷电路板（PCB）上或陶瓷基板上的一种低成本的组装技术。

它的特点是利用焊料在电子元件和电路板之间形成电气和机械连接，因此，它区别于芯片内引线键合或用导电环氧树脂粘结芯片的组装。

其特点是组装密度高，电子产品的体积小重量轻，比通常电子产品重量减轻60%~80%。

产品可靠性好，抗振能力强（焊接缺陷率低）。

并易于实现自动化，提高生产率，可降低成本30%~50%。

1.2SMT的基本概念及发展前景

1.2.1SMT的基本概念

电子电路表面组装技术一般是指用自动组装设备将片式化、微型化的无引线或短路引线表面组装元件/器件（简称SMC/SMD，常称片状元器件）直接贴、焊到印制线路板（PCB）或其它基板的表面规定位置上的一种电子装联技术，又称表面安装技术或表面贴装技术，简称SMT（SurfaceMountingTechnology）。

由SMT技术组装形成的电子电路模块或被称为表面组装组件（SMA）。

图2为表面组装技术示意图。

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1

图2表面组装技术示意图

1—电路基板；2—金属化端；3—元件；4—器件；5—短引线。

当被组装的SMC/SMD引线结构简单、同一PCB上SMC/SMD个数很少，或者对SMA上的个别SMC/SMD进行返修时，也可以采用借助焊接工具的手工方式，和借助返修设备的半自动化方式进行表面组装。

表面组装焊接一般采用浸焊或再流焊。

若采用浸焊，先在PCB上点涂上或丝网印刷上环氧树脂粘合剂，将片式元器件定位粘接在上面，通过加热或紫外线照射固化，然后在焊料熔槽内浸焊。

若采用再流焊则在PCB上点涂上或丝网印刷上焊料膏，然后通过再流焊设备熔化焊料进行焊接。

为此，表面组装过程需借助点焊、印刷、贴片、焊接、清洗、测试等组装设备进行，SMT包含了表面组装元器件、电路基板、组装设计、组装工艺、组装材料、组装设备、组装测试、组装管理等多项技术，是一门涉及微电子、精密机械、自动控制、焊接、精细化工、材料、检测、管理等多种专业和多门学科的系统工程。

SMT技术是20世纪60年代中期开发、70年代获得实际应用的一种新电子装联技术，它彻底改变了传统的通孔插装技术（THT）使电子产品的微型化、轻量化成为可能，被誉为电子组装技术的一次革命，是续手工装联、半自动插装、自动插装后的第四代电子装联技术。

SMT以缩小产品体积、质量，提高产品可靠性及电气性能，降低生产成本为目的，自80年代以来得到了飞速发展。

当前，SMT已在计算机、通信、军事、工业自动化、消费类电子等领域的新一代电子产品中广泛应用，成为电子工业的支柱技术。

1.2.2SMT的发展及其前景

SMT发展至今，已经历了几个阶段。

第一阶段（1970年~1975年）以小型化作为主要目标，此时的表面组装元器件主要用于混合集成电路，如石英表和计算器等。

第二阶段（1976年~1980年）的主要目标是减小电子产品的单位体积，提高电路功能，产品主要用于摄像机、录像机、电子照相机等。

在这段时期内，对表面组装技术进行了大量的研制工作，元器件和组装工艺以及支撑材料日趋成熟，为SMT的大发展奠定了基础。

第三阶段（1980年~1995年）的主要目标的降低成本，大力发展组装设备，表面组装元器件进一步微型化，提高电子产品的性能/价格比。

当前，SMT以进入微组装、高密度组装和立体组装技术的新阶段，以及MCM（多芯片组件）、BGA（球型栅格阵列）、CSP（芯片尺寸封装）等新型表面组装元器件的快速发展和大量应用阶段。

表面组装技术的重要基础之一是表面组装元器件，其发展需求和发展程度也主要受SMC/SMD发展水平的制约。

为此，SMT的发展史基本是同步的。

20世纪60年代，欧洲飞利浦公司研制出可表面组装的纽扣状微型器件供手表工业使用，这种器件已发展成现在表面组装用的小外形集成电路（SOIC）。

它的引线分布在器件的两侧，呈鸥翼形，引线的中心距仅为1mm（40mil）、0.8mm（33mil）、0.65（25mil）或更小，而引线数可达几百针。

（注：

1min=0.001英寸=0.0254mm）

mm（50mil），引线呈“J”形。

PLCC占用组装面积小，引线不易变形。

对SOIC、OFP、PLCC来说，它们都是塑料外壳，不是全密封器件。

显然，在很多场合它们满足不了使用要求。

于是为了满足军事需要，美国于20世纪70年代研制出无引线陶瓷芯片载体（LCCC）全密封器件。

它以分布在器件四边的金属化焊盘代替引线。

由于LCCC无引线地组装在电路中，引进的寄生参数小，噪声和延时特性有明显改善。

另外，陶瓷外壳的热电阻也比塑料小，故它适用于高频、高性能和高可靠的电路。

但因为它是直接组装在基板表面，没有引线来帮助吸收应力，所以在使用过程中易造成焊点开裂。

而且由于使用陶瓷金属化封装，所以LCCC的价格要比其它类型的器件价格高，这样使它的应用受到一定的限制。

mmmmmmmm细引线间距SMC/SMD的组装技术和组装设备趋向成熟。

SMT的迅速发展，给集成电路器件的进一步微型化、高密度化开辟了应用新天地。

90年代，IC发展到了将一个系统做在一个芯片上的新阶段，与之相应的高密度封装的任务就是要将CPU（微处理器）/摄录一体机之类的许多小系统在尽可能小的体积内组装成一个大系统。

而要实现更高密度的封装，几十年来主宰、制约电子组装技术发展的芯片小、封装大这一芯片与封装的矛盾就显得尤为突出。

70年代流行的双列直插式封装（DIP），芯片面积/封装面积为1：

80；80年代出现的芯片载体封装尺寸大幅度减小，以208I/O四面引脚扁平封装（QFP）为例，其芯片面积/封装面积约为1/7.8，仍然有七、八倍之差。

80年代后期开发的多芯片组件（MCM）技术，将多个裸芯片不加封装，直接装于同一基板并封装于同一壳体内，它与一般SMT相比，面积减小了3~6倍，重量减轻了3倍以上。

特别是从电气性能方面考虑，芯片经封装必然伴随配线和电气连接的延伸。

为此，MCM裸芯片封装还有信号延误改善、结温下降、可靠性改进等一系列优点，是实现高密度、微型化较理想的组装技术。

但是，MCS要求质量确实可靠的裸芯片（KGD：

KnownGoodDie），而要对各种形状、大小以及焊脚数不同、功能不同的裸芯片进行实验及老化筛选是极困难的，这样会由于KGD的难以保障而导致MCM成品率低、成本高。

为此，CSP以其芯片面积与封装面积接近相等、可进行与常规封装IC相同的处理和实验、可进行老化筛选、制造成本低等特点，从90年代初期脱颖而出。

1994年，日本各制造公司已有各种各样的CSP方案提出，1996年开始，已有小批量产品出现。

另一方面，IC集成度的增大使得同一SMD的输入/输出数也即引线数大增，为适应这种需求，将引线有规则分布在SMD整个贴装表面而成栅格阵列型的SMD也从90年代开始发展并很快得以普及应用，其典型产品为球形栅格阵列（BGA）器件。

mm及其以下的超细间距组装技术的同时，正在发展和完善BGA、CSP等新型器件的组装技术。

由此可见，表面贴装元器件的不断缩小和变化，促进了组装技术的不断发展，而组装技术在提高组装密度的同时又向元器件提出了新的技术要求和齐套性要求。

可以说二者是依存，相互促进而发展的。

作为第四代电子装联技术的SMT，已经在现代电子产品，特别是在尖端科技电子设备、军用电子设备的微小型化、轻量化、高性能、高可靠性发展中发挥了极其重要的作用。

为了适应更高密度、多层互连和立体组装的要求，目前SMT已处于微组装技术（MPT）新阶段。

MPT是在高密度、多层互连的PCB上，用微型焊接和封装工艺将微型元器件（主要是高集成度IC）通过高密度组装、立体组装等组装方法进行组装，形成高密度、高速度和高可靠性的主体结构微电子产品（组件、部件、子系统或系统）。

这种技术是当今微电子技术的重要组成部分，特别是在尖端高科技领域更具有十分重要的意义。

在航天、航空、雷达、导航、电子干扰系统、抗干扰系统、通信、巨型计算机、敌我识别电子装备等方面都具有非常重要的应用前景。

1.2.3SMT及SMT生产系统的基本组成

（1）SMT是一项复杂的系统工程，如图3所示，它主要包括表面组装元器件、基板、材料、组装工艺、组装设计、检测技术、组装和检测设备、控制和管理等技术。

其技术范畴涉及到诸多学科。

图3SMT的基本组成

下面列出SMT的主要组成部分：

设计—结构尺寸、端子形状、耐焊接热等。

表面组装元器件制造—各种元器件的制造技术。

包装—编带式、棒式、散装等。

电路基板—单（多）层PCB、陶瓷、瓷釉金属板等。

组装设计—电设计、热设计、元器件布局、基板图形布线设计等。

组装材料—粘接剂、焊料、焊剂、清洗剂等。

组装工艺组装技术—涂敷技术、贴装技术、焊接技术、清洗技术、检测技术等。

组装设备—涂敷设备、贴装机、焊接机、清洗机、测试设备等。

目前，表面贴装元器件的品种规格尚不齐全，因此在表面组装组件（SMA）中有时仍需要采用部分通孔插装元器件。

所以，一般所说的表面组装器件中往往是插装件和贴装件兼有的，全部采用SMC/SMD的只是一小部分。

插装件和贴装件兼有的组装称之为混合组装，全部采用SMC/SMD的组装称之为全表面组装。

（2）SMT生产系统的基本组成

由表面涂敷设备、贴装机、焊接机、清洗机、测试设备等表面组装设备形成的SMT生产系统习惯上称为SMT生产线。

根据组装对象、组装工艺和组装方式的不同，SMT的生产线有多种组线方式。

单线形式一般用于PCB单面组装SMC/SMD的表面组装场，是SMT生产线的最基本的组成。

还有与之相对的双线组线形式用于PCB双面组装SMC/SMD的表面组装场合。

图4为SMT生产系统的基本组成示意图。

上料料装置

1.2.4SMT的优缺点

与通孔插装技术比较，SMT的优缺点简述如下。

⑴组装密度高，体积小，重量轻

由于SMC、SMD的体积、重量只有传统插装元件的1/10左右，而且贴装时不受引线间距、通孔间距的限制，并可在基板的两侧进行贴装或与有引线元器件混合组装，从而可大大提高电子产品的组装密度，见表2所示。

由于在大多数情况下是SMT与THT的混合应用，因此，电子产品的体积缩小、重量减轻到什么程度，取决于SMC、SMD与传统的通孔插装器件（DIP双列直插封装）所选用的数量。

而PCB板面的节省、重量的下降则完全依据SMC、SMD代替DIP的百分率。

一般，采用SMT后可使电子产品的体积缩小40%以上，重量减轻60%以上。

⑵电性能优异

SMT有关电性能方面的优点可归纳如下。

（1）频率响应

高频电路的性能主要受到与元器件有关的寄生电抗的限制。

与插装元件的引线有关的杂散电感和电容使电路的工作频率限制在大约500MHz以下。

采用表面安装型封装可以显著地减小寄生电抗。

这一方面是由于元件的引线较短，也是由于元件之间互连的总长度比较短。

采用无引线器件时，工作频率至少可达3GHz，专门的带引线封装甚至可以在更高的频率下工作。

在许多应用中，电路的性能受印制电路板性能的限制要比受表面安装元件封装的限制更大。

（2）封装的传输延迟

一个电信号从集成电路的输入端到输出端所需的时间称为封装的传输延迟。

它是衡量数字电路速度的一个参数，而且也是影响电路性能的一个因素。

虽然电路的总传输延迟还与印制电路板的线路布局有关，但由于封装引起的传输延迟是一个影响延迟时间的主要因素。

实验证明，四边有引线的封装要比双列引线封装性能更好。

这是由于这种封装的最短引线与最长引线相差无几所致。

引线电感（nH）

（3）便于抗电磁干扰

采用SMT技术，常常可以把若干灵敏的电路合到一块电路板上，这样就简化了屏蔽设计。

此外，插装元件的引线起着发射和接收无用信号的小天线作用，而表面安装的引线不穿过电路板，因而，这个问题就不太突出。

③可靠性高，抗冲击和抗震动能力强

由于SMC/SMD与相应的插装型元件相比，体积小，重量轻，其端电极直接平贴在印制板上，消除了元器件与印制板之间的二次互连，从而减小了因连接而引起的故障。

另外，由于直接贴装使的印制线路板可以承受更大的冲击和撞击。

所以，一般的SMT的焊点缺陷率比THT至少低一个数量级。

这对单块电路板的性能有明显的改善，对整个产品的益处更为突出。

采用SMT可以减少印制线路板的数量，这就简化了辅助安装和支撑结构。

④生产率高，易于实现现代化

由于通孔插装元器件的引线有多种多样，故自动插装时需要多种插装机，而且每一台机器都需要调整准备时间。

SMT则用一台取放机配置不同的上料架和取放头，就基本可以安装大多数类型的SMC/SMD，因此大大减少了调整准备时间和维修工作量。

另外，SMC/SMD外形规则，小而轻，贴装机的自动吸装系统利用真空吸头吸取元器件，既可提高组装密度，又易于实现自动化。

⑤成本降低

由于SMT可以使PCB的布线密度增加、钻孔数目减少、孔径变细、PCB面积缩小、同功能的PCB层数减少，这就使制造PCB的成本降低；无引线或短引线的SMC/SMD则可节省引线材料；而剪线、打弯工序的省略，则减少了设备、人力的费用；频率特性的提高，减少了调试费用；电子产品的体积缩小，重量减轻，降低了整机成本；贴焊可靠性能的提高，减少了二次焊接，可靠性好，并使返修成本降低。

一般，电子设备采用SMT后，可使产品总成本降低30%以上。

但SMT技术尚有一些待提高和解决的问题，如SMC/SMD的品种、规格至今还不齐全；有些SMC/SMD的产量不大，故价格比通孔插装元器件要高；在国际上，目前尚无SMC/SMD的统一标准。

另外，SMT用的元器件是直接焊接在PCB表面上的，受热后由于元器件与基板的热膨胀系数（CTE）不一致，易引起焊处开裂；采用SMT的PCB单位面积功能强，功率密度大，散热问题复杂；PCB布线密，间距小，容易造成信号交叉耦合。

此外，还有塑封器件的吸潮问题等等。

2SMT焊接技术的原理特点和工艺流程

2.1SMT焊接形成机理

表面组装技术采用的焊接技术就是把表面组装元器件焊接到印制板的焊盘上，使元器件与印制板之间建立可靠的电气和机械连接，从而实现具有一定可靠性的电路功能，这种焊接技术的主要工艺特征是用焊剂将要焊接的金属表面净化，使之对焊料具有良好的润湿性，供给熔融焊料润湿金属表面。

但SMT焊接属于微连接，其焊点形成机理中的不少问题有待于进一步研究。

2.2SMT焊点的基本要求

无论是芯片级组装还是板级组装，SMT的组装连接焊点均有既要保障电气性能畅通又要保障机械连接可靠的特点，对它的具体要求有以下几个方面。

（1）电学性能：

作为中间过度区的焊点材料应具有较高的导电率。

（2）热性能：

焊料和基片是导热性较好的材料。

（3）相稳定性：

焊点组织不能在热循环过程中发生相变。

（4）力学性能：

焊点能经受起组装过程中产生的应力和热膨胀力。

（5）工艺性能：

焊料应与基板元件引脚有良好湿润性及可焊性。

2.3SMT焊接技术特点

根据熔融焊料的供给方式，表面组装技术中采用的软焊接技术主要有波峰焊和再流焊。

一般情况下，波峰焊用于混合组装方式，再流焊用于全面组装方式。

由于表面组装的高密度化，元器件之间和印制板之间的间隔很小，因此对焊接技术提出了更高的要求。

它主要具有以下几个特点。

（1）元器件本身受热冲击大。

（2）要求形成微细化的焊接连接。

（3）由于电极引线的形状结构影响，要求对各种的引线都能进行焊接。

（4）要求表面组装元器件与PCB上焊盘图形的结合强度和可靠性高。

2.4SMT的组装工艺流程

SMT工艺过程包括六部分，即安装印制电路板、点胶（或涂膏）、贴装SMD元件、焊接和清洗。

表面安装技术（SMT）工艺流程框图如下：

①安装印制电路板

将印制电路板固定在带有真空吸盘，板面有XY坐标的台面上。

台面应固定不动，定位准确，以便于机械手按坐标进行准确点胶或涂膏，安置SMD元器件。

②点胶

点胶的目的是为了让SMD元器件预先粘在印制电路板上。

根据SMD元器件大小而确定点胶的数量，小片子点一个点，大片子点2~3个点，可以通过编程事先确定。

操作时应注意不可将胶点在印制电路板的焊接点上。

SMD元器件被固定在胶上后在经波峰焊焊接。

③焊膏和涂膏工艺

SMT技术若采用再流焊（也称重熔焊），需要进行涂焊膏。

（1）焊膏的成分和种类焊膏有两种，一种是松香型，它的性能稳定，几乎无腐蚀性也便于清洗。

另一种是水溶性的，其活性较强，清洗工艺复杂，要求一次性投资。

一般生产企业常采用松香型焊膏，焊膏的成分参见下表3

（2）涂膏工艺焊膏涂在印制电路板的焊接点上，SMD元器件由焊膏固定，在后道工序中进行再流焊。

涂膏时要将焊膏准确地涂在焊接点上。

常用的涂膏工艺有以下两种：

a丝网漏印法。

利用丝网漏印原理，将焊膏涂于印制电路板上，然而再将SMD元器件置于规定焊点的焊膏上，最后通过再流焊一次完成焊接。

目前多数已用不锈钢摸板取代丝网，提高了精确度和使用寿命。

b自动点胶法。

利用计算机控制的机械手，按照事前编好的程序及元器件在印制电路板上位置的坐标，将焊膏涂上后再安装SMD元器件，通过再流焊一次完成焊接。

SMD器件

镀锡焊盘

焊膏

基板

铜箔线条

（3）SMT焊接工艺

目前SMT焊接工艺可分为两大类，既波峰焊和再流焊。

①波峰焊SMT　　波峰焊是将融化的焊料，经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰，使预先装有电子元器件的印制板通过焊料波峰，实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间的机械和电气连接。

在SMT元器件焊接时由于焊点上无插件孔，应而助焊剂在高温汽化时所产生的大量蒸汽无法排放，在印制电路板和锡峰表面交接处会产生“锡爆炸”，无数个细小的锡珠溅到印制电路板铜箔线和元器件之间，形成桥连短路。

为了解决这个问题，焊锡波峰采用双T波峰。

采用双T波峰焊第一波峰顶的宽度要比第二波峰顶窄的多，印制电路板通过第一波峰时，由于波峰窄，助焊剂蒸汽容易排出，因此在第二波峰时不会再产生“锡爆炸”现象，而由第一波峰焊引起的锡珠也可以被第二波峰焊消除。

同时再安装高温高压气刀，则效果会更好。

②再流焊SMT　　再流焊是通过从新熔化预先分配到印制板焊盘上的焊膏，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制焊盘之间的机械与电气连接。

通常SMD元器件焊接处都已预焊上锡，印制电路板焊接点也已涂上焊膏，通过对焊接点加热，使两种工件上的焊锡重新熔化到一起，